（机械电子工程专业论文）面向真三维显示的三维模型预处理技术.pdf

摘要 摘要 真三维立体显示技术能够在真实世界中虚拟出具有真f 物理景深的三维立体图 像。 国外对真三维立体显示技术的研究在基础理论及关键技术上取得了不少成果，已 经出现了各种真三维立体显示装置设计和相关应用。国内对其则主要集中在理论研究 和对国外各种真三维立体显示装置的引进及改进等方面。然而却出现了软件处理滞后 于硬件设计的现象，即软件上如何对数据的处理和优化，如何提高人机交互的友善性， 如何提高多种文件格式的数据结构兼容性等方面的专门研究较少。针对这种现象，本 文在研究了真三维立体显示所需切片数据生成方法的基础上，提出了几个针对切片数 据生成的三维模型数据预处理方法。这些方法能够更好的优化切片数据生成过程，提 高立体图像效果，并提高数据生成效率。本文主要研究和解决以下几方面问题： 第一，用于真三维立体显示设备的切片图像来自于对三维模型数据的处理，而这 些三维模型数据主要来自于各种三维建模软件或者三维重建软件，其文件格式纷繁复 杂，数据结构异构多样。在解析了多种三维模型文件格式之后，本文提出了一种将各 种异构信息统一成一种抽象数据结构的方法，并为其提供了统一的操作方式。该方法 提高了对多种三维模型文件格式的数据结构兼容性。 第二，模型数据从三维模型文件中被读取之后成为一个单体，其需要被配置方位， 以便生成切片图像。而模型数据会被多次从相同或者不同的文件中读取成为多个单体， 这时就需要处理多个单体之间的逻辑控制和相互位置关系的控制。所以本文提出了一 种单模型及多模型的模型操控方法。该方法具有提高人机交互友善性，优化模型方位 配置，最终改善切片图像生成质量等优点。 第三，在工业设计中，常常需要对设计的产品进行内部结构及内部材质进行展示。 所以本文提出了一种模型局部内视功能的设计，并将其整合到切片图像的生成中，使 最终的真三维立体成像中能够展示其效果。模型局部内视功能的设计为三维立体图像 的展示提供了更加多样化的选择。 最后，设计并丌发了面向真三维显示装置的三维模型数据预处理的软件。该软件 主要功能为：多种三维模型文件的读取与渲染、模型操控、模? 型局部内视、切片图像 广东y - , _ l k 大学硕士学位论文 的生成及简单的相应功能的可视化仿真。 关键字：真三维立体显示；切片生成；模型操控；模型局部内视；模拟仿真 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h er e a lw o r l d ，t r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a yt e c h n o l o g yd i s p l a y sav i r t u a l3 di m a g e h a v i n gt h er e a lp h y s i c a ld e p t ho ff i e l d f o r e i g nt r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a yt e c h n o l o g yr e s e a r c hi nt h eb a s i ct h e o r ya n dk e y t e c h n o l o g i e sh a sg o t t e nal o to fr e s u l t s ；t h e r eh a v eb e e ns e v e r a lt r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a y d e v i c ed e s i g n sa n dr e l a t e da p p l i c a t i o n s i nt h ed o m e s t i c ，r e s e a r c hi sm a i n l yc o n c e n t r a t e di n t h ei n t r o d u c t i o na n di m p r o v e m e n to ft h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt h ev a r i o u sf o r e i g nt r u e3 d v o l u m e t r i cd i s p l a yd e v i c e s h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ep r o c e s si sl a g g i n g b e h i n dt h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ed e s i g n o nt h es o f t w a r es i d e ，t h ep r o b l e mo fd a t a p r o c e s s i n ga n do p t i m i z a t i o n , h o wt oi m p r o v et h ef r i e n d l i n e s so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， a n dh o wt oi m p r o v et h ed a t as t r u c t u r e s c o m p a t i b i l i t yo fav a r i e t yo ff i l ef o r m a t s ，l a c ko f s p e c i a l i z e dr e s e a r c h r e s p o n s et ot h i sp h e n o m e n o n ，o nt h eb a s i so ft h es t u d yo ft h e s l i c e i m a g eg e n e r a t i o nm e t h o d ，s e v e r a l3 dm o d e ld a t ap r e p r o c e s s i n gm e t h o d sf o rs l i c ed a t aa r e p r e s e n t e d t h e s em e t h o d sa r eb e t t e ra b l et oo p t i m i z et h es l i c ed a t ag e n e r a t i o np r o c e s s ，t o i m p r o v e t h es t e r e oi m a g ee f f e c t s ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t ag e n e r a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gi s s u e sa r er e s e a r c h e da n dr e s o l v e d ： f i r s t l y , t h es l i c ei m a g ed a t au s e df o rt r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a yd e v i c ec o m e sf r o m t h ep r o c e s s i n g3 dm o d e ld a t a , w h i c hi sf r o mav a r i e t yo f3 dm o d e l i n gs o f t w a r e ，o r3 d m o d e lr e c o n s t r u c t i o ns o f t w a r e t h e i rf i l ef o r m a ti sc o m p l e x ，a n dh a sh e t e r o g e n e o u sa n d d i v e r s ed a t as t r u c t u r e s i no r d e rt or e s o l v eh o wt or e a dav a r i e t yo f3 dm o d e lf i l ef o r m a t ，t h i s p a p e rp r o p o s e sam e t h o dt os o l v eap r o b l e mh o wt oc o n s o l i d a t eav a r i e t yo fh e t e r o g e n e o u s i n f o r m a t i o ni n t oa na b s t r a c td a t as t r u c t u r e ，a n dp r o v i d es o m eu n i f o r mm e t h o d so fo p e r a t i o n f o ri t t h i sm e t h o di m p r o v e so nt h ed a t as t r u c t u r e sc o m p a t i b i l i t yo fav a r i e t yo f3 dm o d e l f i l ef o r m a t s s e c o n d l y , i no r d e rt og e n e r a t et h es l i c ei m a g e ，t h em o d e ld a t af r o mt h er e a d i n g3 d m o d e lf i l ei ss e e na sam o n o m e r , w h o s ep o s i t i o nn e e dt ob ec o n f i g u r e d i na d d i t i o n ，m o d e l d a t ac o u l db er e a ds e v e r a lt i m e sf r o mt h es a m eo rad i f f e r e n tf i l ea sm u l t i p l em o n o m e r s a n d t h e ny o un e e dt od e a lw i t ht h el o g i cc o n t r o la n dt h ec o n t r o lo fm u t u a lp o s i t i o n a lr e l a t i o n s h i p 广东工业大学硕士学位论文 b e t w e e nm u l t i p l em o n o m e r s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sam a n i p u l a t i o nm e t h o do ft h e s i n g l em o d e la n dt h em u l t i m o d e l t h i sm e t h o dh a sa d v a n t a g e st oe n h a n c et h ef r i e n d l i n e s so f h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，o p t i m i z et h eo r i e n t a t i o nc o n f i g u r a t i o no ft h em o d e l ，a n d u l t i m a t e l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fs l i c ei m a g e sg e n e r a t e d t h i r d l y , i nt h ei n d u s t r i a ld e s i g n ，o f t e nn e e dt od i s p l a yt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo rm a t e r i a l o ft h ep r o d u c t s d e s i g n i nt h i sp a p e r , af u n c t i o nw h i c hc o u l de n d o s c o p et h e3 dm o d e lw a s s t u d i e d ，a n d i n c o r p o r a t e d i n t ot h e g e n e r a t i o no fs l i c ei m a g e s i t s e f f e c tc o u l db e d e m o n s t r a t e di nt h et r u e3 di m a g i n g t h ed e s i g no fm o d e le n d o s c o p ep r o v i d e sam o r e d i v e r s ec h o i c ef o rt r u e3 dv o l u m e t r i ci m a g ed i s p l a y f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e das o f t w a r ep r o g r a mw h i c hc o u l dp r e p r o c e s s t h e3 dm o d e ld a t af o rt r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a yd e v i c e t h em a i nf u n c t i o no ft h e s o f t w a r ea r e ：t h er e a d i n ga n dr e n d e r i n go ft h es e v e r a lf o r m a t s 3 dm o d e lf i l e ，t h em o d e l m a n i p u l a t i o n ，t h em o d e le n d o s c o p i c ，t h eg e n e r a t i o no fs l i c ei m a g e sa n dt h ev i s u a ls i m u l a t i o n o ft h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n s k e y w o r d s ：t r u e 3 dv o l u m e t r i c d i s p l a y ；s l i c e si m a g e d a t a g e n e r a t i o n ；m o d e l m a n i p u l a t i o n ；m o d e le n d o s c o p e ；v i s u a ls i m u l m i o n i v 广东_ x a k 大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( c h i n e s e ) a b s t r a c t c o n t e n t s c o n t e n t s ( c h i n e s e ) c o n t e n t s c ha p t e r li n t r o d u c t i o n 。 i i i v i i 1 1b a c k g r o u n da n dm o t i v a t i o n 1 1 2p r o j e c ts u p p o r t 5 1 3v o l u m e t r i c3 dd i s p l a yt e c h n o l o g y 6 1 ：；1f e a t u r e 6 1 3 2d i s p l a yp r i n c i p l e 6 1 3 3f u t u r ea p p l i c a t i o n 10 1 4r e l a t i v er e s e a r c h ll 1 5t h e s i so u t l i n e s 14 1 6o r g a n i z a t i o n 15 c h a p t e r 2s l i c ed a t ag e n e r a t i o nm e t h o d 2 1c u t t i n gp r i n c i p l eo f3 dm o d e ld a t a 17 2 2g e n e r a t i o no fb i t m a pa n dv e c t o rs l i c ei m a g ed a t a 2 0 2 2 1g e n e r a t i o no fb i t m a ps l i c ei m a g ed a t a 2 0 2 2 2g e n e r a t i o no f v e c t o rs l i c ei m a g ed a t a 21 2 2 3p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fb i t m a pa n dv e c t o rd a t a 2 4 2 3s u m m a r y 2 6 c h a p t e r 3m o d e lm a n l p u l a t i o nf o rd 虹 ap r e p r o c e s s i n g 2 7 3 1c o n c e p ta n dt h en e e df o rm o d e lm a n i p u l a t i o n 2 7 3 2r e a da n dd i s p l a yt h e3 dm o d e lo fs c h e m ed e s i g n 2 7 ：；2 1a b s t r a c td a t as t r u c t u r e 2 7 3 2 2r e a da n dd i s p l a yt h es p e c i f i cf o r m a t3 dm o d e lf i l e 2 9 3 3p r i n c i p l eo fs i n g l em o d e l m a n i p u l a t i o n 3 5 v i c o n t e n t s 3 3 1m a t h e m a t i c a lt h e o r ya n dm a t r i xt r a n s f o r m a t i o np r o c e s s 3 5 3 3 2p r i n c i p l eo fm o u s ec o n t r o lr o t a t i n gt h r o u g hv i r t u a lb a l lm e t h o d 3 7 3 4 p r i n c i p l e o fm u l t i - m o d e lm a n i p u l a t i o nb yc o n t r o l l i n gm u l t i l e v e la z i m u t h r e l a t i o n s h i pa n ds t a t i c - d y n a m i cr e l a t i o n s h i p 4 0 3 4 1p r i n c i p l eo f c o n t r o l l i n gs t a t i c d y n a m i cr e l a t i o n s h i p 4 1 3 4 2p r i n c i p l eo f c o n t r o l l i n gm u l t i - l e v e la z i m u t hr e l a t i o n s h i p 4 4 3 5s u m m a r y 4 5 c h a p t e r 4m o d e le n d o s c o p yf o rd a t ap r e p r o c e s s i n g 4 7 4 1t e s tf u n c t i o no fo p e n g l 4 7 4 2p r i n c i p l e sa n ds t e p so fm o d e le n d o s c o p y 5 0 4 2 1t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i db o o l e a no p e r a t i o n s 5 0 4 2 2p r i n c i p l e sa n ds t e p so fm o d e le n d o s c o p ya c h i e v e db a s e do no p e n g l 5 0 4 3e f f e c tp i c t u r eo fm o d e le n d o s c o p y 51 4 3 1e f f e c tp i c t u r eo fm o d e l si n t e m a ls t r u c t u r ee n d o s c o p y 5 2 4 3 2e f f e c tp i c t u r eo fm o d e l s ；i n t e r n a lm a t e r i a le n d o s c o p y 5 3 4 4i n t e g r a t i o nb e t w e e nm o d e le n d o s c o p ya n dg e n e r a t i n gs l i c ed a t a 5 4 4 5s u m m a r y 5 6 c h a p t e r 5p r e t r e a t m e n tm e t h o d s s y s t e mi m p l e m e n ta n d s i m u l a t i o n 5 7 5 1s y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n 5 7 5 2i n t e r f a c ed e s i g no fs y s t e mf u n c t i o n s 5 8 5 2 1s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s 、a p p l i c a t i o nf r a m e w o r ka n db a s i c t e c h n o l o g y 5 8 5 2 2s y s t e mi n t e r f a c ed e s i g n 5 8 5 3d e s i g no fs y s t e ms i m u l a t i o nb a s e do no p e n g l 5 9 5 3 1c o n s t r u c t i o no f av i r t u a lt r u e3 ds t e r e o s c o p i cd i s p l a yd e v i c e 6 0 5 3 2s i m u l a t i o no fc u t t i n g3 dm o d e ld a t a 6 0 5 3 3s i m u l a t i o no f t h r e ed i m e n s i o n a li m a g i n g 6 1 5 4s u m m a r y 6 3 c o n c l u s l o na n df u t u r ew o r k 6 4 l x 广东工业大学硕士学位论文 r e f e r e n c e s p u b l i c a t i o n s d e c l a r a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t x 6 6 7 2 7 3 7 4 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 当今社会发展同新月异，新的科学技术层出不穷。互联网及移动互联网的发展更 是在人类面前推出了爆炸式的信息。而这些信息主要包括文字、图片、影像及声音等 等。人们沉浸在信息的海洋里面，但人们接收信息的媒介还是如此单- a n 落后。纸质 书籍、平面显示器、扬声器、投影仪等等是人们主要的信息接收媒介。人们对如何更 好、更快捷、更方便的接收和理解信息提出了越来越高的要求，促进了显示技术的不 断发展【1 1 。 现在的显示技术是在综合电子技术、光电子技术等的基础上研究如何更好的给人 类提供视觉信息的技术。它根据人的心理和生理等各种特点，使用合适的包括强弱和 波长等特征的光来显示各种视觉信息1 2 1 。现有的显示技术主要是基于二维平面的，市面 上出现了大量的二维平面显示器，如电脑显示器从纯平显示器到液晶显示器。但人们 更希望看到的是三维图像，因为我们现实的世界是一个三维的空间。三维图像才是人 们容易接受和理解的信息。用二维平面来表达三维空间的信息只有心罩景深而没有物 理景深，并没有立体感的效果。这种显示技术主要是基于经典计算机图形学和图像处 理技术，它的核心原理就在于对像素( p i x e l ) 的操作。 还有一种显示技术，其具有三维立体效果。在三十多年前，人们提出这种新的显 示技术体视化( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) 3 - 4 l 。体视化技术是综合了图像处理、计算 机图形学和计算机视觉等学科知识来研究体数据( v o l u m ed a t a ) 的可视化问题”】。而 体数据的基本构成单元就是体素( v o x e l ) 。体素大概有两种定义：一种是“中心点在采 样点上的小长方体，这个小长方体内的值是不变的，都等于采样点的采样值”；另一种 则为“以八个相邻的网格点为顶点的小长方体则为体素，这个小长方体内的值是变化 的，体素内任一点的值可以用八个顶点上采样值的三线性插值计算出来”1 8 】。由此可见， 由体素构成的体数据为三维立体显示提供了更加丰富详实的物体信息，可以使其展现 出更加逼真的虚拟场景。 最早的三维立体显示技术是一种基于双目视差的立体显示，由英国科学家f e i v e s 于1 9 0 3 年发明0 1 。从那以后，引发了各国对立体显示器的研究。各种立体湿示的方 广东工业大学硕士学位论文 法陆续被研发出来【l 。而我国在这方面的研究起步较晚，主要从美国等西方发达国家 进行引进、借鉴和改进。并且我国在现阶段尚没有对立体显示技术进行相关标准制定， 所以相关的专用名词和术语还没有形成统一的说法【1 2 】。但根据其中基本原理的异同可 以大概按图1 1 进行分类【1 】： 图l - l 立体显示的分类 f i g 1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fs t e r e o s c o p i cd i s p l a y 其中的双目视差( b i n o c u l a rp a r a l l a x ) 是根据人眼的神经机制研究出来的【陆14 1 。研 究指出人眼在立体视觉的形成过程中主要包括两个阶段：第一个阶段是抽取双眼物象 中的某种基元，然后进行基元匹配从而检测出视差信息：第二个阶段则是进而从该视 差信息中感知出深度信息。所以把具有一定视差的两幅图像分别投影到双眼视网膜上， 人的大脑皮层再把经此两个阶段得出的信息融合产生立体视觉效果，这就是基于双目 视差的立体视觉( s t e r e o s c o p i cv i s i o n ) 的基本原理。目前，分光法、补色法和场分割 法是得到具有视差的两幅图像的常用方法。而根据配带设备的与否又可以细分为：需 要助视设备的和裸眼观察的。 ( 一) 需要助视设备型 这种类型研究的最早，技术发展也最为成熟。根据所使用的基本技术原理的不同， 可以分为如此四种【1 5 l ：分色技术型、分光技术型、分时技术型和头盔立体眼镜型。图 1 2 演示了此四种类型的需要助视设备的基于双目视差的立体显示技术。 2 第一章绪论 曩 c ) 分光技术刑 黔 黛r 魂 ；簟 誓蠹缈 图1 2 需要助视殴备的视著型立体显不 f i g 1 - 2n e e d i n gv i s u a la i ds t e r e o s c o p i cd i s p l a yb yp a r a l l a x + a ) 图米源丁文献，展示的是佩戴分时技术型立体眼镜的操作者玩立体游戏的应刚实例； b ) 图拍摄丁j 尔省c i m s 重点实验室虚拟现实与可视化研究室，展示了通过头盔立体眼镜体验增强 现实场景中的立体模型： c ) 图拍摄t - j 尔省c i m s 重点实验室虚拟现实与可视化研究室，观察者戴着分光技术型立体眼镜与 背投立体设备进行交互： d ) 图来源丁文献7 i ，展示了分色技术型立体眼镜的原理示意。 ( 二) 裸眼观察型 裸眼观察型立体显示技术最早由i v e s 于1 9 0 1 年提出【i s 。其基本原理为：左右两眼 将观察到不同的两个视图，比如用带有垂直细缝的遮挡板遮住部分图像，平移改动该 遮挡板的位置，在两眼之中就将看到相应的条纹，两眼就此产生视差效果。人脑在处 理这种带有视差图像时，就会产生具有立体视觉的景象【1 9 】。该方法的缺点在于呈现的 图像在亮度和分辨率上都会由于遮挡板挡住部分光线的原因而有所降低【2 0 】。观察者在 长时问进行观察后容易出现头痛、恶心等不良身体反应，且其展现的视域是分立及有 限的。图1 3a ) 展示了这一效果。 毳臻警 鬈 广东工业大学硕士学位论文 衍射光 a ) 视差型裸眼立体显示 b ) 全息投影成像 图1 3 两种裸眼立体显示 f i g 1 3t w ok i n d so f n a k e d - e y es t e r e o s c o p i cd i s p l a y a ) 图拍摄丁2 0 0 9 中国( 中山) 国际游戏游艺博览交易会； b ) 图来源- f h t t p ：w w w p j t i m e c o m 2 0 1 0 7 2 1 5 7 8 5 7 9 s h t m l 。 基于双目视差的裸眼观察型立体显示技术主要分为：光屏障式( b a r r i e r ) 、柱状透 镜( l e n t i c u l a rl e n s ) 、指向光源( d i r e c t i o n a lb a c k l i g h t ) 三种。 ( 三) 全息立体显示 全息立体显示技术是基于光的干涉原理的。它记录信息利用了物体散射、反射出 的特定光波所形成的干涉条纹，从而形成了“全息图”，而其图像信息的再现则利用了 光的衍射原理。在记录的信息中包含了完整的波前的振幅及相位信息，所以其包含的 信息是其他三维图像的若干数量级。但全息立体显示技术的缺陷是：观察者的视场范 围被动态全息图空间光调制器的衍射角大小所限制：现阶段的空间光调制器、计算机 的处理速度、传输速度及传输带宽无法很好的应对全息立体显示的大信息量问题。现 阶段已有研究利用电荷耦合元件代替感光胶片作为光学全息记录装黉! 1 2 l 】，但其由于光 电再现器件阵列分辨率、尺寸、再现影像空间承载、再现影像噪声、显示虚拟物体的 三维全息计算及全息真彩色显示等问题阻1 ，而未能取得本质上的进展。图1 3b ) 展现了 全息立体显示的显示效果。 ( 四) 真三维立体显示技术 全息立体显示技术也属于一种真三维立体显示技术，但本文涉及的真三维立体显 示技术是指针对于平面旋转屏的真三维立体显示技术。该显示设备的基本原理及其概 念将在1 3 节进行着重介绍。该设备能够很好的解决人们同益增长的对可视化技术 ( v i s u a l i z a t i o n ) 的需求。可视化技术需求是指：在当今的信息化社会中，来自个领域( 如 i t 互联网领域，医学领域，机械制造，地质领域，气象卫星领域等等) 的数据信息与 r 俱增，人们迫切需要将这些大规模的、复杂的信息数据转换成适合人类接受和理解 第一章绪论 的信息形式( 比如立体图像) ，这便是可视化技术需求。可视化技术能够给予更好的人 机交互【2 孓2 5j 方法。在人与自然的交互中，交互环境都是三维的，而一般的人机交互则 常常是文字、图形界面等等【2 6 。2 7 】。这种交互方式往往是不自然的，不符合人类自然习 惯的，需要人类去学习和适应的一种交互方式【2 8 0 1 1 。这些交互方式无法实现一些完全 符合人类在视觉观察、深度感知等生理习惯的功能，比如让多个操作者在一个真实的 三维世界中，不使用其他任何的助视设备，从多个不同的角度同时对场景中的三维对 象进行自由操控及观察【6 8 1 。为了提供更接近于自然交互方式的方法，本文对真三维立 体显示技术的相关理论和方法进行了研究。图l 一4 显示了一种真三维立体显示设备。 图1 - 4 一种真三维立体显示器 f i g 1 - 4ak i n do fv o l u m e t r i c3 dd i s p l a y + 图片资料丁2 0 1 0 年7 月参加真三维显示技术和成套设备的研究及产业化项目中期检查研讨会参观 北京理：l ：人学实验室时拍摄。 1 2 课题来源 针对真三维立体显示设备的位图和矢量图切片数据的生成，研究在其前的模型操 控、模型局部内视、模拟仿真等的数据预处理技术，使切片数据能够更合理、更人性、 更符合要求的生成出来。并在理论研究的基础上开发出应用到真三维立体显示的设备 的软件。本课题得到广东省教育部产学研结合项目资助，项目名称：真三维显示技术 和成套设备的研究和产业化。项目编号：2 0 0 9 a 0 9 0 1 0 0 0 3 1 。 广东工业大学硕士学位论文 1 3 真三维立体显示技术 1 3 1 真三维立体显示技术特点 真三维立体显示( v o l u m e t r i c3 dd i s p l a y ) 3 2 羽】是新一代利用眼睛的视觉感知特性 来给人类提供视觉信息的显示技术，其摆脱了二维显示器由于二维平面的局限性无法 提供具有真实深度信息的三维立体显示效果的缺陷。它构造出由一个个体素组成的立 体图像，给予了等同于一个真实物体所能给予眼睛的所有生理和心理的深度信息暗示 【3 5 j ，提供了一种在具有三个维度的真实空间中形成具有真实深度信息的三维立体图像 的立体显示方法。 此技术利用形成分散体素的方法，可以使立体图像浮现在观察者所处的真实三维 世界中，并可以由多人、多角度位置、同一时间下进行裸眼观察图像。所谓裸眼观察 的好处在于，能够让观察者在符合自身的自然生理习惯的情况下，直接观察到具有物 理景深的三维立体图像【3 2 1 。由于此显示技术对显示领域具有颠覆性的影响，有人称 其为终极显示技术【4 3 1 。其技术特点可以概括为如图1 5 所示： 真 维 立 体 显 不 全方位视角观察 直接裸眼观察 多人同时可移动观察 动态三维显示 可提供人机交互 图1 5 真三维立体显示的特点 f i g 1 5c h a r a c t e r i s t i c so fv o l u m e t r i c3 dd i s p l a y 1 3 2 真三维立体显示技术的显示原理 真三维立体显示的原理是建立在两个重要的生理和心理现象上。它们分别是：生 理成因，视觉暂留现象【删；心理成因，似动现象【4 6 1 ；是在心理和生理的共同作用下， 使得一系列实际不连续的切片图像呈现出拥有深度感的近似现实物体的无断续立体图 6 第一章绪论 像的特殊成像原理。 ( 1 ) 生理成因：视觉暂留现象 人类的视觉原理其实是光线对视网膜进行了刺激，其中眼睛的晶状体负责成像， 感光细胞负责感光，并且人类神经系统会将此从光信号转换来的神经信号传给人类大 脑，人类大脑则对此神经信号进行处理，最终形成视觉感知。但是在这其中，感光细 胞是需要感光色素来进行感光功能的，而感光色素的生成则是需要一定的时间的，这 段时间的拖延，便为视觉暂留现象提供了条件。 视觉暂留现象是光影图像对视网膜的刺激产生的视觉效果不会立刻消失，而是会 在人脑中进行短暂的残留。在视觉暂留效应下，断续的图像只要快速转换的速度达到 0 1 0 4 秒一帧【4 5 1 ，那么人眼将不会感觉图像的消失，继而察觉不到图像的不连续。该 效应在动画及电影中得到广泛应用。 ( 2 ) 心理成因：似动现象 似动现象( a p p a r e n tm o v e m e n t ) 最早由格式塔心理学创始人m 韦特海默( m a x 。 w e r t h e i m e r ) 于2 0 世纪初提出。其在运动知觉的实验研究一文中阐述了人的运动 知觉的基本规律，并进而揭示了一种通过视觉幻觉产生运动假象的“p h i 现象，【4 7 】( p h i p h e n o m e n o n ) ，即似动现象。似动现象表现为人眼能将实际上静止不动的物体看成是运 动的，而将实际上不连续的运动看成连续的。 格式塔心理学【4 8 l 的完形原理1 4 9 】认为，当一帧一帧的图像以每秒1 6 帧或者2 4 帧的 速率连续呈现时，人在观察它们时便会产生似动及深度感的幻觉现象。这不仅仅是由 于生理的视觉暂留效应的作用，而且更有心理上的、人脑积极参与的将光影图像组织 生成更高级别的动作整体的“特殊内心体验_ 完形”过程。 ( 3 ) 真三维立体显示设备的原理及结构设计 真三维立体显示技术根据其基本显示原理的不同可以分为两大类：一是基于发光 介质的真三维立体显示器；二是基于旋转屏或配有高速投影机的移动屏的真三维立体 显示器。在第一类真三维立体显示器中，涉及的发光介质主要有特殊玻璃、气体、液 体或空间排布的液晶片、光纤等固定结构，它们配合激发光束的扫描与寻址来产生立 体显示效果。第二类则是通过配合高速投影机，并快速转动或则移动特定形状的屏幕， 来实现立体显示效果。 平面旋转屏式的真三维立体显示器具有结构设计简单的优点，但其具有平面屏风 阻系数大的缺点。通过砹汁提供真空环境的防护罩，可以最大可能的避免由于风阻所 7 广东工业大学硕士学位论文 带来的震动和噪音等问题。而选用多投影机则可以避免单投影机模式下的灰阶和帧频 相互制约的问题，其主要是由于显示器件反应速度而造成的。图1 - 6 为该类显示器的 基本结构示意图，其中左图为半球形设计的防护罩，平面显示屏处于静止状态。右图 为圆柱形设计的防护罩，平面旋转屏则处于高速旋转状态。防护罩都设计成透明的， 既能提供真空环境以减少风阻的影响，还可以起到防护设备的作用。将采用双向散射 屏的平面旋转屏固定在旋转轴上，由高速旋转的电动机带动旋转。投影机则按照预定 的旋转间隔角固定在机架上，当平面旋转屏转到投影机正对位置时，投影机依次对其 进行投影。投影机的投影数据来自于软件生成的切片数据，并经由数据传输接口传输 过来。这样在防护罩内部就会形成立体图像【5